2021-2022學年高二物理競賽課件：卡諾循環(huán)

1、卡諾循環(huán) 熱機：持續(xù)地利用熱能來做功的機器。如蒸汽機、內(nèi)燃機、汽輪機等.各種熱機的效率：液體燃料火箭柴油機汽油機蒸汽機 歷史上，熱力學理論最初是在研究熱機的工作過程的基礎上發(fā)展起來的。 1698年薩維利和1705年紐可門先后發(fā)明了蒸汽機, 當時的蒸汽機耗煤量大、效率極低. 1765年瓦特進行了重大改進 ，大大提高了效率. 人們一直在為提高熱機的效率而努力，從理論上研究熱機效率問題， 一方面指明了提高效率的方向，另一方面也推動了熱學理論的發(fā)展. 蒸汽機是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機械功的往復式動力機械。蒸汽機的出現(xiàn)曾引起了18世紀的工業(yè)革命。直到20世紀初，它仍然是世界上最重要的原動力，后來才逐漸讓位于

2、內(nèi)燃機和汽輪機等。 1698年托馬斯薩維利、1705年托馬斯紐可門和1769年詹姆斯瓦特制造了早期的工業(yè)蒸汽機。1807年羅伯特富爾頓第一個成功地用蒸汽機來驅(qū)動輪船。 瓦特并不是蒸汽機的發(fā)明者，在他之前，早就出現(xiàn)了蒸汽機，即紐可門蒸汽機，但它的耗煤量大、效率低。瓦特運用科學理論，逐漸發(fā)現(xiàn)了這種蒸汽機的毛病所在。從1765年到1790年，他進行了一系列改進，比如發(fā)明分離式冷凝器、汽缸外設置絕熱層、用油潤滑潤滑活塞、行星式齒輪、平行運動連桿機構(gòu)、離心式調(diào)速器、節(jié)氣閥、壓力計等等，使蒸汽機的效率提高到原來紐可門機的 3 倍多，最終發(fā)明出了現(xiàn)代意義上的蒸汽機。 內(nèi)燃機（Internal combust

3、ion engine）是將液體或氣體燃料與空氣混合后，直接輸入機器內(nèi)部燃燒產(chǎn)生熱能再轉(zhuǎn)化為機械能的一種熱機。內(nèi)燃機以其熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊，機動性強，運行維護簡便的優(yōu)點著稱于世。但是內(nèi)燃機一般使用石油燃料，同時排出的廢氣中含有害氣體的成分較高。 蒸汽機在20世紀初達到了頂峰。它具有恒扭矩、可變速、可逆轉(zhuǎn)、運行可靠、制造和維修方便等優(yōu)點，因此曾被廣泛用于電站、工廠、機車和船舶等各個領(lǐng)域中，特別在軍艦上成了當時唯一的原動機。 蒸汽機的弱點是：離不開鍋爐，整個裝置既笨重又龐大；新蒸汽的壓力和溫度不能過高，排氣壓力不能過低，熱效率難以提高；它是一種往復式機器，慣性力限制了轉(zhuǎn)速的提高；工作過程是不連續(xù)的，

4、蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。熱機：持續(xù)地將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的機器. 工作物質(zhì)（工質(zhì)）：熱機中被利用來吸收熱量并對外做功的物質(zhì), 可以是氣體, 液體等. 1. 熱力學系統(tǒng)經(jīng)過一系列狀態(tài)變化后，又回到初始狀態(tài)的過程叫循環(huán)過程，簡稱循環(huán).一. 循環(huán)過程及其效率AB循環(huán)過程的特點：E = 0若循環(huán)的每一階段都是準靜態(tài)過程，則此循環(huán)可用p-V 圖上的一條閉合曲線表示。沿順時針方向進行的循環(huán)稱為正循環(huán)。熱機沿逆時針方向進行的循環(huán)稱為逆循環(huán)。致冷機 循環(huán)過程中被利用來吸收熱量并對外做功的物質(zhì), 稱為工作物質(zhì)，簡稱工質(zhì)。正循環(huán)熱機正循環(huán)過程，是工質(zhì)將從外界吸收的熱量Q1 中的一部分轉(zhuǎn)化為有用功A

5、，另一部分 Q2 放回給外界。整個循環(huán)過程:工質(zhì)從外界吸收的熱量總和為Q1，向外界放出的熱量總和為Q2（絕對值）.工質(zhì)對外界做凈功熱力學第一定律在整個循環(huán)過程中工質(zhì)對外界作的凈功A等于曲線所包圍的面積.AB注意：公式中 Q1, Q2, A均取絕對值.逆循環(huán)致冷機整個循環(huán)過程:工質(zhì)從外界(低溫熱源)吸收的熱量總和為Q2，向外界(高溫熱源)放出的熱量總和為Q1（絕對值）熱力學第一定律在整個循環(huán)過程中外界對工質(zhì)作的凈功A (絕對值)等于曲線所包圍的面積。AB逆循環(huán)過程, 是外界對工質(zhì)作功A，使工質(zhì)從低溫熱源吸收熱量Q2，向高溫熱源放出熱量Q1，從而獲得低溫.外界對工質(zhì)做凈功注意：公式中 Q1, Q2

6、, A均取絕對值.熱機2. 熱機效率和致冷機的致冷系數(shù)熱機效率高溫熱源低溫熱源熱機（正循環(huán)）AB意義：從高溫熱源吸取熱量，轉(zhuǎn)化為對外作功的百分比.注意：公式中 Q1, Q2, A均取絕對值。致冷系數(shù)致冷機（逆循環(huán)）：致冷機高溫熱源低溫熱源AB意義：外界對工質(zhì)作功A時, 能從低溫熱源提取熱量Q2的多少.注意：公式中 Q1, Q2, A均取絕對值。工質(zhì)對外作負功二、卡諾循環(huán) 1824 年，年輕的法國工程師卡諾提出一個工作在兩熱源之間的理想循環(huán)卡諾循環(huán). 給出了熱機效率的理論極限值; 他還提出了著名的卡諾定理. 卡諾循環(huán)由兩個準靜態(tài)等溫過程和兩個準靜態(tài)絕熱過程組成.低溫熱源高溫熱源卡諾熱機AABCDAABCD 理想氣